AM0模擬太陽(yáng)光條件下太空光伏電池的光電性能測(cè)量

三結(jié)砷化鎵（GaInP/InGaAs/Ge）光伏電池具備300~1800nm寬光譜響應(yīng)、超30% 光電轉(zhuǎn)換效率及優(yōu)異抗輻照性，是航天器在軌運(yùn)行的核心電源。其光電性能需在AM0標(biāo)準(zhǔn)條件下標(biāo)定，以匹配太空環(huán)境的太陽(yáng)輻照特性。地面太陽(yáng)光模擬器法可控性強(qiáng)、受環(huán)境影響小，成為航天光伏電池性能測(cè)量的主流技術(shù)。

本文基于紫創(chuàng)測(cè)控Co-fly穩(wěn)態(tài)太陽(yáng)光模擬器，系統(tǒng)闡述航天光伏電池的光電性能測(cè)量方法。

測(cè)量原理

（ａ）太陽(yáng)光模擬器原理示意圖（ｂ）太陽(yáng)模擬器的光譜與標(biāo)準(zhǔn)ＡＭ0光譜的對(duì)比

首先通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)光伏電池將太陽(yáng)光模擬器的輻照度校準(zhǔn)至AM0 標(biāo)準(zhǔn)值（1367W/m²），光譜匹配AM0 標(biāo)準(zhǔn)光譜。測(cè)量時(shí)將被測(cè)電池溫度精確控制在(25±1)℃，通過(guò)程序調(diào)節(jié)偏置電壓，掃描記錄電池在模擬太陽(yáng)光輻照下的電流- 電壓（I-V）特性數(shù)據(jù)，進(jìn)而提取短路電流（Isc）、開(kāi)路電壓（Voc）、發(fā)電功率（Pmax）等關(guān)鍵參數(shù)。

測(cè)量核心裝置

實(shí)驗(yàn)采用AAA穩(wěn)態(tài)太陽(yáng)光模擬器，其光譜與AM0 標(biāo)準(zhǔn)光譜的匹配度在全波段范圍內(nèi)均優(yōu)于95%（光譜失配度 < 5%），同時(shí)具備優(yōu)異的輻照度均勻度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。配套設(shè)備包括半導(dǎo)體控溫臺(tái)（溫度控制精度±1℃）、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及量子效率測(cè)量裝置，可實(shí)現(xiàn)I-V 曲線掃描、光譜響應(yīng)度測(cè)試等功能。

標(biāo)準(zhǔn)器標(biāo)定與量值溯源

1.       標(biāo)準(zhǔn)器選擇

選用與被測(cè)電池結(jié)構(gòu)一致的同型標(biāo)準(zhǔn)光伏電池作為量值傳遞載體，其頂、中、底三子結(jié)分別單獨(dú)引出接線端子，確保各子結(jié)光譜響應(yīng)度可獨(dú)立標(biāo)定，避免子結(jié)間相互干擾。

2.       標(biāo)定方法與溯源路徑

基于 ＤＳＲ法的標(biāo)準(zhǔn)光伏電池校準(zhǔn)裝置及其量值溯源示意圖

采用差分光譜響應(yīng)度（DSR）法標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)電池的AM0 特性，通過(guò)積分標(biāo)準(zhǔn)電池光譜響應(yīng)度 S (λ) 與 AM0 標(biāo)準(zhǔn)光譜輻照度 E (λ)，計(jì)算短路電流標(biāo)定值：ISTC=A⋅∫S(λ)⋅E(λ)sulardλ（A 為電池面積）。量值溯源路徑為：同型標(biāo)準(zhǔn)光伏電池→標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器→陷阱探測(cè)器→低溫輻射計(jì)（光學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)），最終實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)獨(dú)立溯源至國(guó)際單位制（SI）。

光譜失配誤差控制

多結(jié)電池的光譜失配是影響測(cè)量精度的關(guān)鍵因素。依據(jù)IEC 60904-7 標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算光譜失配因子（MMF），通過(guò)迭代調(diào)節(jié)太陽(yáng)光模擬器光譜和輻照度，確保各子結(jié)滿足| MMF-1|<1%。實(shí)驗(yàn)中因太陽(yáng)光模擬器與AM0 光譜匹配度高，且底電池電流遠(yuǎn)大于頂、中電池，僅需重點(diǎn)校正頂、中電池的失配誤差，最終頂電池失配偏差為0，中電池為0.06%，可直接采用標(biāo)準(zhǔn)電池標(biāo)定值校準(zhǔn)光源。

測(cè)量結(jié)果與分析

基于太陽(yáng)模擬器法測(cè)量的三結(jié)砷化鎵光伏電池的光電性能。（ａ）四個(gè)樣品的實(shí)物照片；（ｂ）光電性能

1.       關(guān)鍵性能參數(shù)

對(duì)4 個(gè)三結(jié)砷化鎵光伏電池樣品的測(cè)量結(jié)果顯示：短路電流在195.6~198.2mA 之間，開(kāi)路電壓均超過(guò)2.5V，發(fā)電功率為415.3~429.7mW，填充因子（FF）維持在83%~85%之間，體現(xiàn)了航天級(jí)電池的優(yōu)異性能。測(cè)量不確定度分析表明，短路電流、開(kāi)路電壓、發(fā)電功率的擴(kuò)展不確定度（k=2）分別為2.5%、1.0% 和 2.7%。

2.       溫度系數(shù)測(cè)量

為支撐電池在軌性能評(píng)估，通過(guò)15~55℃范圍內(nèi)的變溫測(cè)試，獲得關(guān)鍵參數(shù)的溫度系數(shù)：短路電流為0.0732mA?℃?¹，開(kāi)路電壓為- 5.71mV?℃?¹，發(fā)電功率為- 0.988mW?℃?¹。

綜上，本文建立的模擬太陽(yáng)光下航天光伏電池測(cè)量方法，通過(guò)太陽(yáng)光模擬器、DSR 標(biāo)定技術(shù)及嚴(yán)格的光譜失配控制，實(shí)現(xiàn)了三結(jié)砷化鎵光伏電池關(guān)鍵光電參數(shù)的精準(zhǔn)測(cè)量，量值可獨(dú)立溯源至SI。測(cè)量結(jié)果顯示，該方法在短路電流、開(kāi)路電壓和發(fā)電功率等核心參數(shù)上的精度滿足航天任務(wù)要求。